nghiên cứu hệ thống w CDMA trong thông tin di động thế hệ ba

Đã có nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di độngthế hệ ba IMT-2000 đã đợc đề xuất, trong đó hai hệ thống W-CDMA vàcdma2000 đã đợc ITU chấp thuận và đợc đa vào hoạt động trong nhữngn

Lời Nói Đầu

Thế kỷ 21 sẽ chứng kiến sự bùng nổ của các hệ thống thông tin vôtuyến và đặc biệt là sự phát triển của thông tin di động Thông tin di động

đóng một vai trò rất quan trọng trong đời sống kinh tế xã hội Để đáp ứngcác nhu cầu về chất lợng dịch vụ ngày càng cao, thông tin di động đã pháttriển không ngừng Đã có nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di độngthế hệ ba (IMT-2000) đã đợc đề xuất, trong đó hai hệ thống W-CDMA vàcdma2000 đã đợc ITU chấp thuận và đợc đa vào hoạt động trong nhữngnăm đầu thế kỷ 21 với các u điểm: Tốc độ truy nhập cao, linh hoạt, tơngthích với các hệ thống thông tin di động thế hệ hai sử dụng công nghệTDMA nh: GSM, PDC, IS-136 Hiện nay các nhà khai thác mạng GSM đềumong muốn giữ lại mạng lõi của mình trong khi nâng cấp lên mạng 3G vàvẫn duy trì đợc các dịch vụ hiện đang cung cấp Chính vì vậy việc đề ra ph-

ơng án hợp lý cho con đờng tiến lên 3G của thông tin di động là cần thiết.Với thời gian có hạn nên trong đồ án tốt nghiệp này em xin đợc trình bàymột cách tổng quát nhất về “nghiên cứu hệ thống W-CDMA trong thông tin

di động thế hệ ba”

Đồ án tốt nghiệp của em gồm ba chơng:

- Chơng I: Tổng quan về hệ thống thông tin di động thế hệ ba

- Chơng II: Nguyên lý hoạt động trong CDMA

- Chơng III: Các giao thức và giao diện UMTS trong hệ thống CDMA

W-Em xin cảm ơn sự hớng dẫn của thầy giáo TS Nguyễn Tiến Dũng đãgiúp đỡ em hoàn thiện đồ án tốt nghiệp này Nhng do trình độ kiến thức cóhạn và thời gian không nhiều nên đồ án tốt nghiệp của em không tránh đợcnhững thiếu sót và hạn chế Rất mong nhận đợc sự chỉ bảo của thầy giáo

TS Nguyễn Tiến Dũng cùng các thầy, cô giáo trong bộ môn điện tử tin học,trờng Đại học Bách khoa Hà Nội để đồ án tốt nghiệp của em đợc hoàn thiệnhơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

Trần Thị Thu Phơng

Chơng I Tổng quan về thông tin di động thế hệ ba

1.1 Tổng quan

Thế kỷ 21 sẽ chứng kiến sự bùng nổ của các hệ thống thông tin vôtuyến và đặc biệt là sự phát triển của thông tin di động Thông tin di động

đóng một vai trò rất quan trọng trong đời sống kinh tế xã hội Thông tin di

Trần Thị Thu Phơng TC02 – 6216A Đại học Bách khoa Hà Nội1

động đã trở thành một ngành công nghiệp viễn thông phát triển nhanh nhất

và mang lại lợi nhuận cao nhất cho các nhà khai thác viễn thông Với sự ra

đời của hệ thống thông tin di động số GSM đã tạo ra một bớc ngoặt lớn và

đem lại những lợi ích không thể phủ nhận đợc nh là thời gian, chi phí vàlinh hoạt trong tính di động Trên thế giới các nhà khai thác mạng thông tin

di động số GSM chiếm đến 65% số thuê bao di động, còn lại với 35% sốthuê bao di động đợc chia sẻ với các công nghệ TDMA khác nh IS-95(CDMA), D-AMPS, IS-96

Thực tế nhu cầu về thông tin liên lạc di động của con ngời ngày càngtăng, đòi hỏi về tốc độ cao, chất lợng tốt, đa dịch vụ, chi phí hợp lý thì đốivới hệ thống thông tin di động số GSM đã bộc lộ những yếu điểm khôngthể đáp ứng đợc các yêu cầu này Trớc tình hình đó xu thế tất yếu của thôngtin di động đòi hỏi phải phát triển trên một công nghệ mới, nhằm mục đíchkhắc phục nhợc điểm của thông tin di động thế hệ 2 (2G) và đáp ứng đợccác dịch vụ di động cao cấp hơn đã đa thông tin di động bớc sang một thế

hệ cao hơn, mới hơn đó là hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G) mà đạidiện là công nghệ W-CDMA

Công nghệ W-CDMA đợc sử dụng nh là một giải pháp hữu hiệu nhấtcho con đờng tiến lên 3G đối với các nhà khai thác hệ thống thông tin di

động GSM trên thế giới cũng nh ở Việt Nam là Vinaphone, Mobile phone,Vietell mobile đang khai thác mạng GSM

1.2 quá trình phát triển của hệ thống thông tin di

động lên thế hệ thứ ba

1.2.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G)

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất là hệ thống sử dụng kỹthuật điều tần tơng tự (analog FM) Nó sử dụng kỹ thuật điều tần FM đểtruyền thoại và báo hiệu số cho thông tin điều khiển Các hệ thống thông tin

di động thế hệ thứ nhất khác gồm có:

• AMPS: Dịch vụ điện thoại di động tiên tiến

• NAMPS (Narrow AMPS): AMPS băng hẹp.

• TACS (Total Access Communication System): Hệ thống thông

tin truy nhập toàn bộ

• ETACS (Extended TACS): TACS mở rộng.

• NMT 400 (Nordic Mobile Telephone 450): Hệ thống điện

thoại di động Bắc Âu băng tần 450 Mhz

Tất cả các hệ thống thế hệ thứ nhất đều sử dụng kỹ thuật đa truy nhậpphân chia theo tần số FDMA, mỗi kênh đợc gán cho một tần số duy nhấttrong một nhóm cell

1.2.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ hai (2G)

Sự phát triển nhanh chóng của số lợng thuê bao và những vấn đềkhông tơng thích giữa các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất tăngnhanh Đây là nguyên nhân chính thúc đẩy tiến trình phát triển tới những hệ

thống thông tin di động thế hệ thứ 2 (2G) Hệ thống thứ hai có những u

điểm về khả năng nén và những kỹ thuật mã hoá liên kết với công nghệ số

Đối với tất cả các hệ thống thông tin di động 2G để sử dụng phơng pháp

điều chế số và các kỹ thuật đa truy nhập nh đa truy nhập phân chia theo thờigian TDMA (Time Division Multiple Access) và đa truy nhập phân chia

theo mã CDMA (Code Division Multiple Access) đợc sử dụng kết hợp với

đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access) trong các hệ thống 2G Các hệ thống thông tin di động thế hệ hai

(2G) gồm có:

USDC (United States Digital Cellular): tiêu chuẩn IS-54 và IS-136

(tiêu chuẩn thông tin di động TDMA cải tiến của Mỹ do AT&T đề xuất)

• IS-95 CDMA (CDMA one)

• GSM (Global System for Mobile Communication): Hệ thống

thông tin di động toàn cầu

• PCN (Personal Communication Network): Mạng thông tin cá

nhân

• CT-2 (Cordless Phone-2): Điện thoại không dây.

• DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunication): Viễn

thông không dây số tiên tiến

• PDC (Personal Digital Cellular): Hệ thống tổ ong số cá nhân.

Ngoài ra còn có các hệ thống tin nhắn gồm:

• POCSAG (Post Office Code Standardization Advisory Group):

Nhóm cố vấn tiêu chuẩn hoá bu điện

• ERMES (European Radio Message System): Hệ thống nhắn tin

vô tuyến Châu Âu

1.2.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ ba (3G)

Cùng với sự phát triển nhanh chóng của các dịch vụ số liệu mà IP đã

đặt ra các yêu cầu mới đối với công nghiệp viễn thông di động Hệ thốngthông tin di động thế hệ hai mặc dù sử dụng công nghệ số nhng vì là hệthống băng hẹp và đợc xây dựng trên cơ chế chuyển mạch kênh nên khôngthể đáp ứng đợc các dịch vụ mới này vì thế hệ thống thông tin di động thế

hệ ba đợc thiết kế để cung cấp các dịch vụ băng rộng nh: truy nhập Internettốc độ cao, video và truyền hình ảnh chất lợng cao, các dịch vụ đa phơngtiện với chất lợng ngang bằng với mạng cố định ITU-R (International Telecommunication Union Radio Sector-Bộ phận vô tuyến của liên minh viễn thông quốc tế) đang tiến hành tiêu chuẩn hoá cho các hệ thống thông

tin di động toàn cầu IMT-2000 (International Mobile Telecommunication).

Tại Châu Âu ETSI tiến hành tiêu chuẩn hoá phiên bản của hệ thống này vớitên gọi UMTS (Universal Mobile Telecommunication System Hệ thống–

viễn thông di động toàn cầu) Cả IMT 2000 và UMTS đều thống nhất sử

dụng công nghệ W-CDMA cho truy nhập giao diện vô tuyến của mình

Các hệ thống mới này sẽ làm việc ở giải tần 2GHz Cung cấp rấtnhiều loại hình dịch vụ bao gồm từ các dịch vụ thoại và số liệu tốc độ thấp

nh hiện nay cho đến các loại dịch vụ số liệu tốc độ cao nh: Internet, video,truyền hình Tốc độ cực đại của ngời sử dụng lên đến 2Mb/s Tốc độ cực đại

Trần Thị Thu Phơng TC02 – 6216A Đại học Bách khoa Hà Nội3

này sẽ chỉ có ở các ô pico trong nhà, còn các dịch vụ với tốc độ 144Kb/s sẽ

đợc đảm bảo cho di động thông thờng ở các ô macro

Bộ phận tiêu chuẩn của ITU-R đã xây dựng các tiêu chuẩn cho

IMT-2000 (International Mobile Telecommunication) IMT-2000 đã mở rộng

đáng kể khả năng cung cấp dịch vụ và bao phủ một vùng rộng lớn các môitrờng thông tin Mục đích của IMT-2000 là đa ra nhiều khả năng mới nhngcũng đồng thời đảm bảo sự phát triển liên tục của hệ thống thông tin di

động thứ 2G vào những năm 2000 Thông tin di động thế hệ thứ ba xâydựng trên cơ sở IMT-2000 sẽ đợc đa vào phục vụ từ năm 2001

Các tiêu chí chung để xây dựng IMT-2000 nh sau:

• Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz

- Đờng lên (Uplink): 1885-2025 MHz

- Đờng xuống ( Dowlink): 2110-2200 MHz

• Mạng phải là băng rộng có khả năng truyền thông đa phơngtiện Nghĩa là mạng phải đảm bảo đợc tốc độ bit Rb của ngời sửdụng đến 2Mb/s Môi trờng đợc chia thành 4 vùng:

vụ khác nhau, ngoài ra cần đảm bảo đờng truyền không đối xứng

• Mạng phải cung cấp thời gian truyền dẫn theo yêu cầu, cónghĩa là phải đảm bảo các kết nối chuyển mạch cho các dịch vụthoại, video và các khả năng số liệu gói cho các dịch vụ số liệu

• Chất lợng dịch vụ không đợc thua kém chất lợng dịch vụ mạng

cố định, nhất là đối với thoại

• Mạng phải tơng thích với những mạng sẵn có và linh độngtrong việc giới thiệu các dịch vụ và kỹ thuật mới

• Mạng phải có khả năng sử dụng toàn cầu, nghĩa là phải baogồm cả thông tin vệ tinh

1.2.4 Tóm tắt sự phát triển hệ thống thông tin di động đến thế hệ ba (3G)

Hình vẽ 1.1: Chỉ ra con đờng phát triển hệ thống thông tin di động từthế hệ 1G tiến lên thế hệ 3G

Bảng 1.1 cho ta thấy quá trình phát triển của hệ thống thông tin di

động từ thế hệ 1G đến thế hệ 3G

Trần Thị Thu Phơng TC02 – 6216A Đại học Bách khoa Hà Nội5

SMR- Specialise Mobile Radio: Vô tuyến di động đặc biệt

Hình 1.1: Lộ trình phát triển từ 1G lên 3G

Bảng 1.1: Tổng kết các thế hệ thông tin di động Thế hệ

(1800)

Gsm (1900)

IS-136 (1900)

IS-95cdma (J-STD-008) (1900)

IS-95 cdma(800)

IS-136tdma cdma (800)

TDMA hoặc CDMA, số,băng hẹp (8-13 kbit/s)

Thế hệ trung

gian (2.5G) EDGE, cdmaGPRS,

2000 1x

Trớc hết làtiếng thoại có

đa thêm cácdịch vụ số liệugói

TDMA (kết hợp nhiềukhe hoặc nhiều tần số),CDMA, sử dụng chồnglên phổ tần của thế hệ hainếu không sử dụng phổtần mới, tăng cờng truyền

số liệu gói cho thế hệ haiThế hệ 3

(3G) cdma 2000,W-CDMA Các dịch vụtiếng và số liệu

gói đợc thiết kế

để truyền tiếng

và số liệu đaphơng tiện lànền tảng thực

sự của thế hệba

CDMA, CDMA kết hợpTDMA, băng rộng (tới 2Mbit/s), sử dụng chồnglấn lên thế hệ hai hiện cónếu không sử dụng phổtần mới

1.3 con đờng từ GSM tiến lên W-CDMA thế hệ ba

Giải pháp duy nhất tiến đến 3G của GSM là CDMA băng rộng Trênthị trờng Châu Âu, hệ thống W-CDMA đợc gọi là hệ thống viễn thông di

động toàn cầu (UMTS) Để đáp ứng đợc các dịch vụ mới đồng thời đảm bảotính kinh tế hệ thống thông tin di động thế hệ hai sẽ đợc chuyển đổi từng b-

ớc sang thế hệ ba Ta có thể tổng quát các giai đoạn chuyển đổi này đợc thểhiện trên hình 1.2

Trần Thị Thu Phơng TC02 – 6216A Đại học Bách khoa Hà Nội7

1.3.1 Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao (HSCSD)

Trớc khi xuất hiện GPRS và EDGE đã xuất hiện nhu cầu các dịch vụtốc độ cao HSCSD là phơng pháp đơn giản nhất để nâng cao tốc độ, thay vì

sử dụng một khe thời gian, một trạm di động có thể sử dụng một số khe thờigian để kết nối dữ liệu Trong các ứng dụng hiện nay thờng sử dụng 4 khethời gian, một khe thời gian có thể sử dụng 9.6 kb/s hoặc 14.4 kb/s Đây làphơng pháp không tốn kém mục đích nhằm nâng cao dung lợng dữ liệubằng cách nâng cấp phần mềm của mạng (đối với cả các máy tơng thích vớiHSCSD)

Nhợc điểm lớn nhất của nó là cách sử dụng nguồn tài nguyên vôtuyến, đây là hình thức chuyển mạch kênh, HSCSD chỉ định việc sử dụngcác khe thời gian một cách liên tục, thậm chí ngay cả khi không có tín hiệutrên đờng truyền dẫn đến lãng phí nguồn tài nguyên trên mạng

1.3.2 Dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS)

Giải pháp GPRS đợc nhiều nhà khai thác mạng thông tin di động lựachọn Tại Việt Nam có ba nhà khai thác thông tin di động là Vinaphone,Mobile phone và Viettel đang khai thác mạng GPRS Tốc độ dữ liệu của nó

có thể lên tới 115.2 kb/s bằng việc dùng 8 khe thời gian Và đợc quan tâmvì GPRS là hệ thống chuyển mạch gói, do đó nó không sử dụng tài nguyênvô tuyến một cách liên tục mà chỉ thực hiện khi có một cái gì đó đợc gửi đi.GPRS đặc biệt thích hợp với ứng dụng phi thời gian thực nh Email, Wed …

nxcác kênh toàn tôc nxcác khe thời gian/

khung TDMA

PDN PLMN ISDN PSPDN

A Abis

Mạng này cần các thành phần mới cũng nh cần sửa đổi các thànhphần hiện có nhng nó đợc xem nh bớc tiến cần thiết để tăng dung lợng, dịch

vụ Một mạng GSM mà không có khả năng GPRS thì sẽ không tồn tại lâutrong tơng lai

Hình 1.4: Cấu trúc mạng GPRS

1.3.3 Tốc độ số liệu tăng cờng để phát triển GSM (EDGE)

EDGE là thuật ngữ Enhanced Data Rates for GSM Evolution - Tốc

độ số liệu tăng cờng để phát triển GSM Tăng tốc độ lên tới 384 kb/s và 8khe thời gian, thay vì 14.4 kb/s cho mỗi khe thời gian, EDGE đạt tới 48kb/s cho mỗi khe thời gian ý tởng của EDGE là sử dụng phơng pháp điềuchế mới gọi là 8PSK EDGE là phơng thức nâng cấp hấp dẫn đối với cácmạng GSM vì nó chỉ yêu cầu một phần mền nâng cấp trạm gốc Nó cùngtồn tại với phơng pháp điều chế khoá dịch pha tối thiểu Gaussian (GMSK),

đợc sử dụng trong GSM Nên các thuê bao có thể sử dụng máy di động cũcủa mình nếu không cần đợc cung cấp chất lợng dịch vụ tốt hơn Về mặt kỹthuật cũng cần phải giữ lại GMSK cũ vì 8PSK chỉ có hiệu quả ở vùng hẹp,với vùng rộng vẫn phải cần GMSK Nếu EDGE đợc sử dụng cùng với GPRSthì sự kết hợp này đợc gọi là GPRS nâng cấp (EGPRS)

1.3.4 CDMA băng rộng

W-CDMA là một dịch vụ vô tuyến băng thông rộng sử dụng băngthông 5MHz để đạt đợc tốc độ dữ liệu lên tới 2Mb/s Hiện tại cả Châu Âu

và Nhật Bản đều đang thử nghiệm, triển khai W-CDMA và công nghệ này

đang tiến triển nhanh trên con đờng thơng mại hoá

1.4 Mô hình tham khảo mạng w-cdma

Từ hình 1.5 dới đây cho ta thấy cấu trúc mạng cơ sở W-CDMA trong3GPP phát hành 1999 (tập tiêu chuẩn đầu tiên cho UMTS) gồm có:

Trần Thị Thu Phơng TC02 – 6216A Đại học Bách khoa Hà Nội9

Gf

GGSN

Mạng PLMN khác

Gp Gn

Gi Gn

Gr D

Gd

G ss Gb Um

 Mạng truy nhập vô tuyến (UTRAN: UMTSTerrestrial Radio Access Network-mạng truy nhập vô tuyến mặt đấtUMTS).

• Mạng lõi gồm các phần tử sau:

Các trung tâm chuyển mạch di động (MSC: Mobile SwitchingCenter) và các nút hỗ trợ chuyển mạch gói phục vụ (SGSN: Serving GeneralPacket Radio Service Support Node) Các kênh thoại và số liệu chuyểnmạch gói đợc kết nối với các mạng ngoài qua các trung tâm chuyển mạchkênh và nút chuyển mạch gói cổng GMSC (trên hình vẽ không thể hiện) và

điểm hỗ trợ GPRS cổng (GGSN: Gateway GPRS Support Node) Để kết nốitrung tâm chuyển mạch kênh với mạng ngoài cần có thêm phần tử làm chứcnăng tơng tác mạng (IWF) Ngoài các trung tâm chuyển mạch kênh và nútchuyển mạch gói, mạng lõi còn chứa các cơ sở dữ liệu cần thiết cho cácmạng di động nh HLR

• Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN gồm các phần tử sau:

- RNC: Radio Network Controllor – Bộ điều khiển mạng vô tuyến,

đóng vai trò nh BSC ở các mạng thông tin di động GSM

- Nút B, đóng vai trò nh các BTS ở các mạng thông tin di động

- UE: User Equiqment – Thiết bị của ngời sử dụng

UE bao gồm thiết bị di động (ME) và modul nhận dạng thuê baoUMTS (USIM) USIM (giống nh SIM trong GSM) nó là vi mạch chứa cácthông tin liên quan thuê bao cùng với khoá bảo an Giao diện giữa UE vàmạng đợc gọi là giao diện Uu Nút B đợc gọi là trạm gốc theo quy định của3GPP, nó đợc nối đến một bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC RNC điềukhiển các tài nguyên vô tuyến của các nút B đợc nối với nó, RNC có vai trògiống nh BSC ở GSM Giao diện giữa nút B và RNC đợc gọi là giao diệnIub

Trần Thị Thu Phơng TC02 – 6216A Đại học Bách khoa Hà Nội10

PSTN

Internet RNC

RNC

BSC

MSC/VL R

Gb Giao diện A

Ga (GTP/IP)

PCM

HLR

G1 (IP )

Hình 1.5: Kiến trúc mạng trong 3GPP phát hành 1999

Khác với ở GSM các BSC trong mạng W-CDMA không nối với nhau,trong mạng truy nhập vô tuyến của UMTS (UTRAN) có cả giao diện giữacác RNC Giao diện này gọi là Iur có tác dụng hỗ trợ tính di động giữa cácRNC và chuyển giao giữa các nút B nối đến RNC khác nhau

UTRAN đợc nối đến mạng lõi qua giao diện Iu Giao diện Iu có haiphần tử khác nhau: Iu-CS và Iu-PS Kết nối UTRAN đến phần chuyển mạchkênh đợc thực hiện qua giao diện Iu-CS, giao diện này nối RNC đến mộtMSC/VLR Kết nối UTRAN đến phần chuyển mạch gói đợc thực hiện quagiao diện Iu-PS, giao diện này nối RNC đến một SGSN Tất cả các giaodiện ở UTRAN đều đợc xây dựng trên cơ sở ATM ATM đợc chọn vì nó cókhả năng hỗ trợ nhiều loại dịch vụ khác nhau Mặt khác mạng lõi sử dụngcùng một kiến trúc cơ sở nh kiến trúc của GSM/GPRS, do vậy công nghệmạng lõi hiện có, có thể hỗ trợ công nghệ truy nhập vô tuyến mới Chẳnghạn cũng có thể nâng cấp mạng lõi hiện có để hỗ trợ UTRAN sao cho mộtMSC có thể nối đến cả UMTS RNC và GSM BSC Thực tế UMTS cho phép

hỗ trợ chuyển giao cứng từ UMTS đến GSM và ngợc lại Đây là một yêucầu quan trọng vì cần phải có thời gian để triển khai rộng khắp UMTS nên

sẽ có khoảng trống trong vùng phủ của UMTS vì thế thuê bao UMTS phải

có khả năng nhận đợc dịch vụ ở vùng phủ của GSM

Nếu UTRAN và GSM BSS đợc nối đến các MSC khác nhau, chuyểngiao giữa các hệ thống đạt đợc cách chuyển giao giữa các MSC Giả thiếtrằng nhiều chức năng của MSC/VLR giống nhau đối với UMTS và GSM,MSC cần phải có khả năng hỗ trợ đồng thời cả hai kiểu dịch vụ Yêu cầucác giao diện và các chức năng khác nhau (nh chuyển giao mềm) củaUMTS RNC chứng tỏ rằng công nghệ của nó hoàn toàn khác với GSM BSS.Vì thế thông thờng ta thấy các UMTS RNC và GSM BSC tách biệt

Từ hình vẽ 1.6 dới đây cho ta thấy kiến trúc cơ sở của 3GPP pháthành 4 có sự khác nhau cơ bản giữa phát hành 1999 và phát hành 4 ở chỗmạng lõi là mạng phân bố Thay cho việc có các MSC chuyển mạch kênhtruyền thống ở kiến trúc phát hành 1999 bằng kiến trúc chuyển mạch phân

bố đợc vào ở phát hành 4 Về cơ bản MSC đợc chia thành MSC Server vàcổng các phơng tiện MGW (Media Gateway) MSC chứa tất cả các phầnmềm điều khiển cuộc gọi, quản lý di động có ở một MSC tiêu chuẩn Tuynhiên nó không chứa ma trận chuyển mạch Ma trận chuyển mạch nằmtrong MGW đợc MSC Server điều khiển và có thể đặt xa MSC Server

Trần Thị Thu Phơng TC02 – 6216A Đại học Bách khoa Hà Nội11

Báo hiệu điều khiển các cuộc gọi chuyển mạch kênh đợc thực hiệngiữa RNC và MSC Server Thông thờng MGW nhận các cuộc gọi từ RNC

và định tuyến các cuộc gọi này đến nơi nhận trên các đờng trục gói Trongnhiều trờng hợp đờng trục gói sử dụng giao thức truyền tải thời gian thực(RTP: Real Time Protocol)

Giao thức điều khiển giữa MSC Server hoặc GMSC Server với MGW

là giao thức ITU H.248 Giao thức này đợc ITU và IETF cộng tác phát triển

Nó có tên là điều khiển cổng các phơng tiện (MEGACO: Media GatewayControl) Giao thức điều khiển cuộc gọi giữa MSC Server và GMSC Server

có thể là một giao thức điều khiển cuộc gọi bất kỳ 3GPP đề nghị sử dụng(không bắt buộc) giao thức điều khiển cuộc gọi độc lập vật mang (BICC:Bearar Independent Call Control) đợc xây dựng trên cơ sở khuyến nghịQ.1902 của ITU

Rất nhiều giao thức đợc sử dụng bên trong mạng lõi là các giao thứctrên cơ sở gói sử dụng hoặc IP hoặc ATM Tuy nhiên mạng phải giao tiếpvới các mạng giao tiếp truyền thống qua việc sử dụng các cổng phơng tiện.Ngoài ra mạng cũng phải giao diện với các mạng SS7 tiêu chuẩn Giao diệnnày đợc thực hiện thông qua cổng SS7 (SS7 GW) Đây là cổng mà ở mộtphía nó hỗ trợ truyền tải bản tin SS7 trên đờng truyền tải SS & tiêu chuẩn, ởphía kia nó truyền tải các bản tin ứng dụng SS7 trên mạng gói Các MSCServer, GMSC Server, và HSS liên lạc với cổng SS7 bằng cách sử dụng các

MSC Server

Iu-CS (Điều khiển)

RNC

MGW

GMSC Server IP

Iu-PS

Iu-CS

(vật mang )

Ga (GTP/IP)

PCM

HSS/

HLR

Gi (IP)

IuB

MGW

SS7 GW SS7 GW

Hình 1.6: Kiến trúc mạng phân bố của 3GPP phát hành 4

giao thức truyền tải đợc thiết kế đặc biệt để mang các bản tin SS7 ở mạng

IP Bộ giao thức này đợc gọi là Sigtran

Hình 1.7 dới đây cho ta thấy bớc phát triển tiếp theo của UMTS làkiến trúc mạng đa phơng tiện IP Bớc phát triển này thể hiện sự thay đổitoàn bộ mô hình cuộc gọi ở đây tiếng và số liệu đợc xử lý giống nhau trêntoàn bộ đờng truyền từ đầu cuối của ngời sử dụng đến nơi nhận cuối cùng.Kiến trúc này là sự hội tụ toàn diện của tiếng và số liệu

Theo kiến trúc mạng đa phơng tiện IP của 3GPP ta thấy tiếng và sốliệu không cần các giao diện cách biệt; chỉ có một giao diện Iu duy nhấtmang tất cả phơng tiện Trong mạng lõi giao diện này kết cuối tại SGSN vàkhông có MGW riêng

Các phần tử mới của mạng xuất hiện nh:

- CSCF: Call State Control Function: Chức năng điều khiển

trạng thái cuộc gọi

- MRF: Multimedia Resource Function: Chức năng tài nguyên

đa phơng tiện

- MGCF: Multimedia Gateway Control Function: Chức năng

điều khiển cổng đa phơng tiện

- T-SGW: Transport Signalling Gateway: Cổng báo hiệu truyền

Trần Thị Thu Phơng TC02 – 6216A Đại học Bách khoa Hà Nội13

CSCF quản lý việc thiết lập, duy trì và giải phóng các phiên đa phơngtiện đến và từ ngời sử dụng Nó bao gồm các chức năng nh: Biên dịch và

định tuyến CSCF hoạt động nh một dại diện Server/hộ tịch viên

SGSN và GGSN là các phiên bản tăng cờng của các nút đợc sử dụng

ở GPRS và UMTS phát hành 1999 và phát hành 4 Đặc điểm khác nhau duynhất là ở chỗ các nút này không chỉ hỗ trợ dịch vụ số liệu gói mà cả dịch vụchuyển mạch kênh

Chức năng tài nguyên đa phơng tiện MRF lập cầu hội nghị đợc sửdụng để hỗ trợ các tính năng nh tổ chức cuộc gọi nhiều phía và dịch vụ hộinghị

Cổng báo hiệu truyền tải (T-SGW) là một cổng báo hiệu SS7 để đảmbảo tơng tác SS7 với các mạng tiêu chuẩn ngoài nh PSTN T-SGW hỗ trợcác giao thức Sigtran Cổng báo hiệu chuyển mạch (R-SGW) là một nút

đảm bảo tơng tác báo hiệu với các mạng di động hiện có sử dụng SS7 tiêuchuẩn

MGW thực hiện tơng tác với các mạng ngoài ở mức đờng truyền đaphơng tiện MGW ở kiến trúc mạng của phát hành 3GPP 5 có chức nănggiống nh ở phát hành 4 MGW đợc điều khiển bởi chức năng cổng điềukhiển các phơng tiện (MGCF) Giao thức điều khiển giữa các thực thể này

là ITU-T H.248 MGCF cũng liên lạc với CSCE giao thức đợc chọn chogiao diện này là SIP

Chức năng

điều khiển trạng thái cuộc gọi (CSCF) Chức năng điều khiển cổng môi tr ờng

RN C

Cấu trúc toàn IP phát hành 5 là một tăng cờng của mạng ở phát hành

1999, hoặc phát hành 4 Nó đa thêm vào một vùng mới trong mạng đó làvùng đa phơng tiện IP (IM: TP Multimedia) Vùng mới này cho phép mangcả thoại và số liệu qua IP trên toàn tuyến nối đến máy cầm tay Vùng này sửdụng vùng chuyển mạch gói PS cho mục đích truyền tải: Sử dụng SGSN,GGSN, Gn, Gi … là các nút và giao diện thuộc vùng PS

Kiến trúc mạng toàn IP trong 3GPP phát hành 2000 đợc thể hiện ởhình vẽ 1.8 dới dây Kiến trúc này đợc xây dựng trên các công nghệ gói và

điện thoại IP cho đồng thời các dịch vụ thời gian thực và không gian thực.Kiến trúc cho phép hỗ trợ chuyển mạng toàn cầu và tơng hợp với các mạngngoài nh: Các mạng thông tin di động thế hệ hai hiện có, các mạng số liệucông cộng và các mạng VoIP đa phơng tiện khác

Phần mạng vô tuyến bao gồm thiết bị liên quan đến ngời sử dụng di

động, đờng truyền vô tuyến và mạng truy nhập vô tuyến (RAN: RadioAccess Network) RAN hỗ trợ cả UTRAN và EDGE Mạng lõi của kiếntrúc toàn IP đợc thiết kế để nhà khai thác có thể sử dụng cả mạng truy nhậpkhác nh ERAN ERAN đợc định nghĩa nh là một GSM BSS phát triển để hỗtrợ các sơ đồ điều chế EDGE trên băng tần 200 KHz và các dịch vụ gói thờigian thực

Trần Thị Thu Phơng TC02 – 6216A Đại học Bách khoa Hà Nội15

Hình 1.8: Kiến trúc mạng di động toàn IP phát hành 2000

Phần mạng GPRS có các GSN để đảm bảo quản lý di động và cácdịch vụ tích cực phiên cho các đầu cuối di động HSS cung cấp chức năngHLR cho mạng GPRS

CSCF, MGCF, R-SGW, T-SGW và MRF bao gồm chức năng điềukhiển cuộc gọi và báo hiệu để truyền các dịch vụ di động thời gian thực Lýlịch của ngời sử dụng đợc lu ở HSS, báo hiệu đến mạng IP đa phơng tiện chỉgiao diện qua CSCF, còn vật mang đợc giao diện trực tiếp với GGSN MRFgiao diện trực tiếp với tất cả các phần tử mạng cho các phơng tiện mạng vàvới CSCF cho báo hiệu MRF cung cấp các chức năng trộn, ghép, xử lý vàtạo lập

Kết nối với các mạng ngoài nh PLMN, PDN, các mạng VoIP đa

ph-ơng tiện, các mạng thế hệ hai hiện có đợc hỗ trợ bởi các phần tử chức năngGGSN, MGCF, MGW, R-SGW và T-SGW Các mạng PLMN khác cũnggiao diện với cả vật mang và báo hiệu qua các phần tử GPRS tơng ứng củachúng

Kiến trúc dịch vụ của mạng đợc trình bày trên hình 1.8 Các dịch vụkhông tiêu chuẩn đợc cung cấp qua các giao diện đến lớp các dịch vụ củaứng dụng Mạng thông minh có thể sử dụng giao thức CAP (CAMELApplication part: phần ứng dụng CAMEL) để tạo ra nhiều dịch vụ mới.Giao diện Gm giữa UE và CSCF gồm báo hiệu đa phơng tiện ngời sử dụng

đến mạng, nó đợc mang trên giao diện vô tuyến Uu, Iu, Gn và Gi

Các thủ tục quản lý di động cho MS của mạng toàn IP phát hành

2000 dựa trên nhận dạng vùng định tuyến (RAI: Routing Area Indentfy).Các thủ tục quản lý di động cho tất cả các MS có khả năng chuyển mạchkênh ở mạng toàn IP phát hành 2000 dựa trên cả nhận dạng vùng địnhtuyến (RAI) và nhận dạng vùng định vị (LAI: Local Area Indentify) Trongtrờng hợp chuyển mạng từ thế hệ ba đến thế hệ hai và ngợc lại cần thực hiệnchuyển đổi khuôn dạng của các nhận dạng (MS ở mạng toàn IP khi chuyểnsang thế hệ hai chỉ biết RAI cũ nhng nó cũng cần LAI của MSC ở mạng thế

hệ hai)

Nhận dạng MS (IMSI) đợc bảo vệ ở giao diện vô tuyến bằng cách sửdụng nhận dạng tạm thời (P-TMSI) do SGSN ấn định trong thủ tục đăng kýcủa MS P-TMSI có thể đợc ấn định lại tại mỗi lần đăng ký tiếp theo hoặcmỗi lần cập nhật vị trí Các nút mạng (GSN, RNC) không biết giao thức báohiệu đa phơng tiện giữa UE và CSCF Thậm chí chúng cũng không biết rằngmột UE phát hoặc không phát báo hiệu đến CSCF

Chơng Ii Nguyên lý hoạt động trong CDMa

2.1 kỹ thuật xử lý số trong hệ thống thông tin di

b) Máy thu

a) Máy phát

ăng ten

Bộ tìm đ ờng truyền

A/D hàng giải Ngân

điều chế

Bộ lọc Niquist cosin tăng căn hai

Đo SIR

Bộ kết hợp RAKE nhất quán

ăng ten

Bộ tạo lệnh TRC

Kênh truyền tải B

Số liệu đ ợc khôi phục

Giải đan

Phát hiện lỗi khối

Kênh truyền tải A

Từ vẽ trên cho thấy (hình a) là sơ đồ máy phát vô tuyến và (hình b) làsơ đồ máy thu vô tuyến trong W-CDMA Lớp vật lý bổ sung CRC cho từngkhối truyền tải là đơn vị số liệu gốc cần x ử lý nhận đợc từ lớp MAC đểphát hiện lỗi ở phía thu Sau đó số liệu đợc mã hoá kênh và đan xen Số liệusau đan xen đợc bổ xung thêm các bít hoa tiêu và các bít điều khiển côngsuất phát (TCP : Transmit Power Control), đợc xắp xếp lên các nhánh I và

Q của QPSK và đợc trải phổ hai lớp Chuỗi chip sau ngẫu nhiên hoá đợcgiới hạn trong băng tần 5 MHz bằng bộ lọc Niquist cosin tăng căn hai và đ-

ợc biến đổi thành tơng tự bằng bộ biến đổi D/A để đa lên điều chế vuônggóc cho sóng mang Tín hiệu trung tần (IF) sau điều chế đợc biến đổi nângtần số vào sóng vô tuyến (RF) trong băng tần 2 GHz, sau đó đợc đa lênkhuyếch đại trớc khi đến ăng ten để phát vào không gian

ở phía thu tín hiệu thu đợc khuyếch đại bằng bộ khuyếch đại tạp âmnhỏ, sau đó đợc đa vào tầng trung tần (IF) thu rồi đợc khuyếch đại tuyến tínhiệu bởi bộ khuyếch đại AGC (AGC:Automatic Gain Control-Tự điềukhuyếch) Sau khuyếch đại AGC tín hiệu đợc giải điều chế để đợc các thànhphần I và Q Các tín hiệu tơng tự của thành phần này đợc biến đổi thành số tại

bộ biến đổi A/D sau đó tín hiệu qua bộ lọc Niquist cosin tăng căn hai và đợcphân chia theo thời gian vào một số thành phần đờng truyền có các thời giantrễ truyền sóng khác nhau Sau giải điều chế phổ cho các thành phần này đợckết hợp bởi bộ kết hợp máy thu RAKE, tín hiệu tổng đợc giải đan xen, giải mã

Trần Thị Thu Phơng TC02 – 6216A Đại học Bách khoa Hà Nội17

kênh đợc phân kênh thành các khối truyền tải TB và đợc phát hiện lỗi và cuốicùng chúng đợc đa lên lớp cao hơn.

2.1.2 Mã hoá kiểm soát lỗi và đan xen

Trong thông tin di động có ba dạng mã hoá kiểm soát đợc sử dụng là:

2.1.2.1 Mã vòng

Mã vòng cho phép kiểm tra d vòng (CRC: Cyclic RedundanceCheck) hay chỉ thị chất lợng khung ở các khung bản tin Mã vòng là mộttập con của mã khối tuyến tính Bộ mã hoá đợc đặc chng bằng đa thức tạomã Cứ k bit vào thì bộ tạo mã cho ra từ mã n bít trong đó n-k bít là các bitCRC đợc bổ xung vào k bit đầu vào Bộ mã này có tỷ lệ mã là r=k/n Từ mã

đợc rút ra từ hai đa thức: đa thức tạo mã g(D) bậc n-k và đa thức bản tina(D), trong đó D là toán tử trễ Từ mã đợc tính nh sau:

- Nhân đa thức bản tin a(D) với Dn-k

- Chia tích a(D)Dn-k nhận đợc ở trên cho đa thức tạo mã để đợc phần

Trong mã xoắn một khối n bit mã đợc tạo ra không chỉ phụ thuộc vào

k bit bản tin đầu vào mà còn phụ thuộc vào các bản tin của các khối trớc đó.Mã xoắn đợc xác định bằng các thông số sau đây:

- Tỷ lệ mã: r = k/n

- Độ dài hữu hạn K (phụ thuộc vào số phần tử nhớ của thanh ghi dịchtạo nên bộ mã hoá).

Một bộ mã hoá xoắn gồm một thanh ghi dịch tạo thành từ các phần

tử nhớ, các đầu ra của các phần tử nhớ đợc cộng với nhau theo một quy luậtnhất định để tạo nên các chuỗi mã, sau đó các chuỗi này đợc ghép xen vớinhau để tạo nên chuỗi mã đầu ra

Bộ mã hoá xoắn đợc sử dụng trong thông tin di động thứ ba CDMA đợc thể hiện nh sau:

W-Trần Thị Thu Phơng TC02 – 6216A Đại học Bách khoa Hà Nội19

g1=[663]OC

T

Đầu ra c0

go=[557]OCT +

2.1.2.3 Mã hoá Turbo trong W-CDMA

Đối với các dịch vụ số liệu đòi hỏi chất lợng dịch vụ nằm trongkhoảng 10-3 và 10-6, mã Turbo đợc sử dụng Bộ mã hoá này gồm hai bộ mãhoá xoắn hệ thống hồi quy: RSC1 và RSC2 có 8 trạng trạng thái và một bộ

đan xen đợc thể hiện trên hình (2.3)

Hàm truyền đạt của bộ mã thành phần 8 trạng thái RSC là:

) ( , 1

D d

D n

(2.5)

Giá trị khởi đầu các thanh ghi dịch của bộ mã hoá Turbo là toàn “0”

Đầu ra của bộ mã hoá Turbo đợc trích bỏ để tạo ra các bit tơng ứng với tỷ lệmã cần thiết Đối với tỷ lệ mã 1/3 các bít chẵn lẻ và hệ thống không bị trích

bỏ và chuỗi đầu ra là X(0), Y(0), Y’(0), X(1), Y(1), Y’(1)…

2.1.3 Đan xen

Đan xen thờng đi với mã hoá kênh để tăng hiệu quả của sửa chữa lỗi.Trong thông tin di động do pha đinh sâu, các lỗi bit thờng xảy ra từng cụmdài Tuy nhiên mã hoá kênh đặc biệt là mã xoắn chỉ hiệu quả nhất khi sửacác lỗi ngẫu nhiên đơn lẻ hoặc các cụm lỗi không quá dài Để khắc phục

Y’(t)

X’(t)

Y(t)X(t)

vấn đề này ngời ta chia khối bản tin cần gửi thành các cụm ngắn rồi hoán vịcác cụm này với các cụm của khối bản tin khác Do vậy khi xảy ra các cụmlỗi dài mỗi khối bản tin chỉ mất đi một cụm nhỏ và phần còn lại của khốibản tin vẫn cho phép các dạng mã hoá kênh khôi phục đợc khối đúng saukhi đã sắp xếp lại các cụm của khối bản tin theo thứ tự nh phía phát.

2.2 Phơng pháp Đa truy nhập và kỹ thuật trảI phổ

2.2.1 Đa truy nhập phân chia theo mã trải phổ chuỗi trực tiếp, CDMA

DS-Trong hệ thống thông tin di động thế hệ ba chủ yếu đợc xây dựngtrên công nghệ CDMA Kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp (DS) là một kỹthuật xử lý số quan trọng đợc sử dụng cho hệ thống thông tin di độngCDMA

2.2.1.1 Nguyên lý DS-CDMA

Trên hình 2.4, có k tín hiệu phát đồng thời tới máy thu Mỗi tín hiệuphát đợc gán một chỉ số i, trong đó i = 1, 2, , k Dạng sóng số liệu cơ sốhai (±) bk(t) là hàm chữ nhật có biên độ +1 hay -1 và có thể đổi dấu sau Tb

giây Dạng sóng trải phổ (±), ck(t), nhng nó tuần hoàn và có tốc độ cao hơnnhiều so với tốc độ bit số liệu Ta coi rằng thời gian một bít số liệu (Tb giây)chứa đúng một chu kỳ (N chip) mã trải phổ sao cho tốc độ chip bằng N/Tb =1/Tc , trong đó Tc là thời gian chip hay chu kỳ chip Vì thế tốc độ chip gấp Nlần tốc độ bít (1/Tb) Thực chất do dạng sóng số liệu đợc điều chế ở dạng

Trần Thị Thu Phơng TC02 – 6216A Đại học Bách khoa Hà Nội21

sóng trải phổ và sóng mang, nên sóng trải phổ chuỗi trực tiếp cho tín hiệu ilà:

Xét quá trình thu tín hiệu ở máy thu thứ nhất Tín hiệu nhận đợc từ

đầu vào của máy thu thứ nhất đợc xác định nh sau :

r(t) = s1(t) + ( ) ( )

1

t n t k S

K i

NT

dt t j c t i

c c

1)

()(

2.2.1.2 Đồng bộ mã

Đồng bộ mã là tạo ra ở máy thu một chuỗi PN là bản sao và đồng bộvới chuỗi PN thu đợc Đồng bộ mã cho phép máy thu tách ra thông tin hữuích bk(t) Đồng bộ bao gồm hai giai đoạn:

= 1, sẽ chỉ có một mã định kênh Cch,1,0 = (1) nghĩa là một từ với một bít ởmức logic 1 Đối với SF = 2, sẽ có hai mã Cch,2,0 = (1,1) và Cch,2,2 = (1,-1)

Đối với SF = 4 ta có bốn mã Cch,4,0 = (1,1,1,1), Cch,4,1 (1,1-1,-1), Cch,4,2 = 1,1,-1) và Cch,4,3 (1,-1,-1,1) Tổng quát ta có thể tóm tắt lại nh sau:

(1,-Trần Thị Thu Phơng TC02 – 6216A Đại học Bách khoa Hà Nội23

Cch,2n,2n - 1 Cch,2n,2n -

1

Cch,2n ,0

Cch,2n ,0

(3.1)

Để sử dụng thêm một mã định kênh trong một ô ta phải tuân theoquy định sau: cha sử dụng mã nào trên đờng nối từ mã định chọn đến gốccây và cha có mã nào đợc sử dụng trong các nhánh cây ở phía trên mã địnhchọn

2.2.2.2 Mã ngẫu nhiên hoá

Vì các mã Walsh có các hàm tự tơng quan không tốt và các hàm tơngquan chéo khác không phađinh, nên chúng không thích hợp cho các mã đatruy nhập Để đợc tự tơng quan và tơng quan ghép tốt, sau khi đợc trải phổbằng các mã định kênh là các mã Walsh luồng số đợc ngẫu nhiên hoá bằngmã ngẫu nhiên hoá để nhận dạng nguồn phát Mã ngẫu nhiên hoá ở W-CDMA/FDD là một đoạn 38400 chip/10ms của mã Gold có độ dài 218-1cho đờng xuống và 225 – 1 cho đờng lên khi mã dài đợc sử dụng Do tổng sốmã ngẫu nhiên khả dụng để nhận dạng nút B là 8192, nên để dễ tìm ô ngời

ta chia các mã này thành 512 tập, mỗi tập có 16 mã 16 mã trong một tập lạigồm một mã sơ cấp và 15 mã thứ cấp 8 tập (với 8x16 mã) hợp thành mộtnhóm tạo nên tổng số 64 nhóm Một ô đợc ấn định một mã ngẫu nhiên duynhất Phân cấp mã ngẫu nhiên đợc thể hiện ở hình vẽ 2.6 sau đây :

TrÇn ThÞ Thu Ph¬ng TC02 – 6216A §¹i häc B¸ch khoa Hµ Néi25

2.2.2.3 Tóm tắt chức năng của các mã định kênh và ngẫu nhiên hoá ở

đ-ờng xuống và đđ-ờng lên

Bảng 2.1: Chức năng của các mã định kênh và ngẫu nhiên hoá

Mã định kênh Mã ngẫu nhiên hoá

ứng dụng

- Đờng lên : phân biệt kênh

số liệu vật lý (DPDCH) vàkênh điều khiển vật lý(DPCCH) từ một UE

- Đờng xuống : phân biệtcác kết nối đờng xuống vớinhững ngời sử dụng khácnhau trong một ô

3) Với các máy thu trạm gốctiên tiến

- Đờng xuống: 10ms = 38400chip

rộng truyền dẫn

2.3 các công nghệ chính trong CDMA

2.3.1 Điều khiển công suất và chuyển giao trong CDMA

2.3.1.1 Điều khiển công suất

Điều khiển công suất nhanh là đặc tính chính ở các hệ thống thôngtin di động CDMA, nhất là ở đờng lên Thiếu điều khiển công suất thì một

MS phát công suất lớn sẽ chặn toàn bộ

Từ hình vẽ trên cho ta thấy vấn đề nảy sinh và giải pháp điều khiểncông suất vòng kín Các MS1 và MS2 làm việc ở cùng một tần số nhng sửdụng các mã trải phổ khác nhau ở BS MS1 ở xa BS hơn so với MS2 vì thếsuy hao đờng truyền đối với MS1 sẽ cao hơn đối với MS2 Nếu không cóbiện pháp điều khiển công suất để hai MS tạo ra mức thu nh nhau ở BS thìMS2 có thể gây nhiễu lớn cho MS1 và nh vậy có thể chặn một bộ phận lớn

ô dẫn đến hiện tợng xa gần Nh vậy để đạt đợc công suất cực đại cần phải

điều khiển công suất của tất cả các MS trong một ô sao cho mức công suất

mà chúng tạo ra ở BS sẽ bằng nhau

Đối với hệ thống thông tin di động CDMA, tồn tại hai phơng pháp

điều khiển công suất sau:

• Điều khiển công suất vòng hở

• Điều khiển công suất nhanh vòng kín gồm:

- Điều khiển công suất vòng trong

- Điều khiển công suất vòng ngoài

Điều khiển công suất vòng hở thực hiện đánh giá gần đúng côngsuất đờng xuống của tín hiệu kênh hoa tiêu dựa trên tổn hao truyền sóngcủa tín hiệu này Hạn chế của phơng pháp này là do điều kiện truyền sóngcủa đờng xuống khác với đờng lên nhất là do pha đinh nhanh nên sự đánhgiá sẽ thiếu chính xác Trong hệ thống CDMA trớc đây ngời ta sử dụng ph-

ơng pháp điều khiển công suất vòng hở kết hợp với điều khiển công suấtvòng kín, còn trong hệ thống W-CDMA phơng pháp điều khiển công suấtnày chỉ đợc sử dụng để thiết lập công suất gần đúng khi truy nhập mạng lần

đầu

Trần Thị Thu Phơng TC02 – 6216A Đại học Bách khoa Hà Nội27

MS2

MS1 Các lệnh điều khiển

Hình 2.7: Điều khiển công suất ở CDMA

Phơng pháp điều khiển công suất nhanh vòng kín: ở phơng pháp này

BS (hoặc MS) thờng xuyên ớc tính tỷ số tín hiệu trên nhiễu thu đợc (SIR:Signal to Interference Ratio) và so sánh ớc tính với tỷ số SIR đích (SIRđích).Nếu SIRớc tính cao hơn SIRđích thì BS (MS) thiết lập bít điều khiển công suất

để lệnh cho MS (BS) hạ thấp công suất, trái lại nó ra lệnh MS (BS) tăngcông suất Chu kỳ đo-lệnh-phản ứng này đợc thực hiện 1500 lần/giây(1,5kHz) ở W-CDMA và 8000 lần/giây ở cdma 2000 Tốc độ này sẽ caohơn mọi sự thay đổi tổn hao đờng truyền và thậm chí có thể nhanh hơn pha

đinh nhanh khi MS chuyển động tốc độ thấp

Kỹ thuật điều khiển công suất vòng kín nh vậy đợc gọi là vòng trongcũng đợc sử dụng cho đờng xuống mặc dù ở đây không có hiện tợng gần xavì tất cả các tín hiệu đến các MS trong cùng một ô đều bắt đầu từ một BS.Tuy nhiên lý do điều khiển công suất ở đây nh sau:

Khi MS tiến đến gần biên giới ô, nó bắt đầu chịu ảnh hởng ngày càngtăng của nhiễu từ các ô khác Điều khiển công suất đờng xuống trong trờnghợp này để tạo một lợng dự trữ công suất cho các MS trong trờng hợp nóitrên Ngoài ra điều khiển công suất đờng xuống cho phép bảo vệ các tínhiệu yếu do pha đinh Rayleigh gây ra, nhất là khi các mã sửa lỗi làm việckhông hiệu quả

Điều khiển công suất vòng ngoài thực hiện đánh giá dài hạn chất ợng đờng truyền trên cơ sở FER (tỷ lệ lỗi khung) hoặc BER để quyết địnhSIRđích cho điều khiển công suất vòng trong Điều khiển công suất vòngngoài thực hiện điều chỉnh giá trị SIRđích ở BS (MS) cho phù hợp với yêu cầucủa từng đờng truyền vô tuyến để đạt đợc chất lợng các đờng truyền vôtuyến nh nhau Chất lợng của các đờng truyền vô tuyến thờng đợc đánh giábằng tỷ số bit lỗi (BER: Bit Error Rate) hay tỷ số khung lỗi (FER: FrameError Rate) Lý do cần đặt lại SIR đích nh sau: SIR yêu cầu (tỷ lệ với Ec/No)chẳng hạn là FER = 1% phụ thuộc vào tốc độ của MS và đặc điểm truyềnnhiều đờng Nếu ta đặt SIRđích cho trờng hợp xấu nhất (cho tốc độ cao nhất)thì sẽ lãng phí dung lợng cho các kết nối ở tốc độ thấp Nh vậy tốt nhất là

l-để SIRđích thả nổi xung quanh giá trị tối thiểu đáp ứng đợc yêu cầu chất ợng

l-Hình 2.8: Nguyên lý điều khiển công suất vòng kín

Ghép bit điều khiển công

suất vào luồng phát

Vòng ngoài Tín hiệu băng

Từ hình vẽ 2.9 cho ta thấy sự thay đổi của SIR đích theo thời gian.

Để thực hiện điều khiển công suất vòng ngoài, mỗi khung số liệu của ngời

sử dụng đợc gắn chỉ thị chất lợng khung là CRC Việc kiểm tra chỉ thị chấtlợng này sẽ thông báo cho RNC về việc giảm chất lợng và RNC sẽ lệnh cho

BS tăng SIRđích Lý do đặt điều khiển vòng ngoài ở RNC vì chức năng nàythực hiện sau khi thực hiện kết hợp các tín hiệu ở chuyển giao mềm

2.3.1.2 Chuyển giao mềm và mềm hơn

Cũng nh điều khiển công suất chuyển giao mềm và mềm hơn cầnphải có ở các hệ thống thông tin di động CDMA với lý do sau: Để tránhhiện tợng xa gần Khi MS tiến sâu vào vùng phủ sóng của ô lân cận màkhông đợc BS của ô này điều khiển công suất, nó sẽ gây nhiễu rất lớn chocác MS khác trong ô này Chuyển giao cứng thờng xuyên và nhanh có thểtránh đợc điều này, nhng chuyển giao này chỉ có thể thực hiện đợc với mộtthời gian trễ nhất định, trong khoảng thời gian này có thể xảy ra hiện tợnggần xa Vì thế cùng với điều khiển công suất, các chuyển giao mềm vàmềm hơn là công cụ quan trọng để giảm nhiễu trong CDMA

• Chuyển giao mềm hơn

Trong khi chuyển giao mềm hơn MS ở vùng chồng lấn giữa hai vùngphủ của hai đoạn ô của BS Thông tin giữa MS và BS xảy ra đồng thời trênhai kênh của giao diện vô tuyến Vì thế cần sử dụng hai mã khác nhau ở đ-ờng xuống để MS có thể phân biệt đợc hai tín hiệu Máy thu của MS nhậnhai tín hiệu này bằng phơng pháp xử lý RAKE rất giống nh thu đa đờng, chỉkhác là cần tạo ra mã tơng ứng đối với từng đoạn để thực hiện giải trải phổ

Trần Thị Thu Phơng TC02 – 6216A Đại học Bách khoa Hà Nội29

Hình 2.9: Điều khiển công suất vòng ngoài

SIR đích

Lệnh điều chỉnh SIR đích

RNC: Bộ điều khiển trạm gốc

Hình 2.10: Chuyển giao mềm hơn

Tại đờng lên cũng xảy ra quá trình tơng tự nh ở BS BS thu đợc kênhmã của MS ở từng đoạn ô, sau đó chuyển chúng đến cùng máy thu RAKE

và kết hợp chúng để nhận đợc tín hiệu tốt nhất Trong quá trình chuyển giaomềm hơn ở mỗi kết nối chỉ có một vòng điều khiển công suất là tích cực.Thông thờng chuyển giao mềm hơn chỉ xảy ra từ 5-15% kết nối

• Chuyển giao mềm

Từ 2.11 cho ta thấy chuyển giao mềm Trong khi chuyển giao mềm,

MS ở vùng chồng lấn vùng phủ của hai đoạn ô thuộc hai trạm gốc khácnhau Cũng nh ở chuyển giao mềm hơn, thông tin giữa MS và BS xảy ra

đồng thời ở hai bên kênh của giao diện vô tuyến từ hai BS khác nhau

Giống nh ở chuyển giao mềm hơn, cả hai kênh đợc thu tại MS bởiquá trình RAKE Nhìn từ phía MS ta thấy rất ít khác biệt giữa chuyển giaomềm hơn và chuyển giao mềm

Sự khác nhau ở đờng chuyển giao mềm và chuyển giao mềm hơn làrất lớn: Kênh mã thu đợc từ cả hai BS nhng đợc gửi đến NRC để kết hợp.Thông thờng quá trình này đợc thực hiện nh sau Chỉ thị độ tin cậy khung đ-

ợc sử dụng để chọn khung tốt hơn trong số hai khung của hai kênh nói trên

mở RNC Chọn đợc thực hiện sau mỗi chu kỳ đan xen: 10 – 80 ms/lần

Chú ý khi chuyển giao mềm trên một kết nối có hai vòng điều khiểncông suất tích cực, mỗi vòng cho mỗi trạm Chuyển giao mềm xảy ra trongkhoảng10 đến 40% kết nối

2.3.2 Máy thu RAKE

Nguyên lý máy thu RAKE: chuỗi giả ngẫu nhiên đợc phát đi ởCDMA có thuộc tính là các phiên bản dịch thời gian của nó hầu nh không t-

ơng quan Nh vậy một tín hiệu đợc truyền từ máy phát đến máy thu theonhiều đờng khác nhau có thể đợc phân giải vào các tín hiệu pha đinh khácnhau bằng cách lấy tơng quan tín hiệu thu chứa nhiều phiên bản dịch thờicủa chuỗi giả ngẫu nhiên

Máy thu RAKE đợc thể hiện trên hình 2.12 ở máy thu RAKE đểnhận đợc các phiên bản dịch thời của chuỗi ngẫu nhiên, tín hiệu thu phải điqua đờng trễ trớc khi đợc lấy tơng quan và đợc kết hợp Đờng trễ bao gồmnhiều mắt trễ có thời gian trễ bằng thời gian một chip Tc Máy thu dịch địnhthời bản sao mã trải phổ từng chip cho từng ký hiệu thông tin để giải trảiphổ ký hiệu trong vùng một ký hiệu và tạo nên lý lịch trễ công suất đợc tạo

ra (xem hình 2.12a), máy thu chọn các đờng truyền để kết hợp RAKE theo

Trần Thị Thu Phơng TC02 – 6216A Đại học Bách khoa Hà Nội31

thứ tự giảm dần của công suất thu đờng truyền trên cơ sở số lợng bộ tơngquan, bộ ớc tính kênh và bộ bù trừ thay đổi pha (gọi là các ngón máy thuRAKE) Trong trờng hợp áp dụng thu phân tập không gian hay phân tậpgiữa các đoạn ô, lý lịch trễ công suất đợc tạo ra cho mỗi nhánh và các đờngtruyền đợc chọn theo thứ tự giảm dần của công suất thu từ lý lịch trễ côngsuất tổng hợp của tất cả các nhánh

Trong thực tế vì các tín hiệu trải phổ gồm nhiễu của các ngời sử dụngkhác và các tín hiệu đa đờng của kênh ngời sử dụng nên giá trị ngỡng đợclập dựa trên các mức công suất tạp âm nền và các đờng truyền có SIR hiệudụng (có công suất thu vợt ngỡng) đợc chọn Vì MS chuyển động nên vị trí

đờng truyền đợc kết hợp RAKE cũng sẽ thờng xuyên thay đổi, máy phải

định kỳ cập nhập lý lịch trễ đờng truyền và cập nhập các đờng truyền đợckết hợp RAKE trên cơ sở lý lịch mới quá trình này đợc gọi là tìm kiếm đ-ờng truyền vì nó liên quan đến tìm kiếm đờng để kết hợp RAKE

Vì các đờng truyền tách biệt đợc thu từ các đờng truyền sóng độc lậpnên chúng bị các thăng giáng pha đinh khác nhau Trên hình 2.12b cho tathấy cấu hình của một máy thu RAKE trong thông tin di động thế hệ ba sửdụng tách sóng nhất quán cả đờng lên và đờng xuống Tách sóng nhất quán

đòi hỏi ớc tính sự thay đổi pha và biên của tín hiệu thu do pha đinh trongmỗi đờng truyền, có nghĩa là đờng bao phức pha đinh (ớc tính của đờng baophức pha đinh đợc gọi là ớc tính kênh) Nếu máy thu chuyển động tốc độ100km/giờ, tần số Doppler sẽ vào khoảng 200Hz khi tần số 2 GHz đợc sửdụng Để bám theo sự thăng giáng kênh nhanh nh vậy, thông tin di động thế

hệ ba thực hiện đánh giá kênh theo các ký hiệu hoa tiêu Ký hiệu hoa tiêu là

ký hiệu mà về nó máy thu biết đợc pha điều chế và biên của ký hiệu hoatiêu thu

2.4 Anten linh hoạt

Anten linh hoạt bao gồm hệ thống anten búp hớng chuyển mạch(SBS: Switched Beam System) hay hệ thống anten thích ứng (hình 2.13 và2.14) SBS sử dụng nhiều búp cố định trong một đoạn ô và chuyển mạch đểchọn búp tốt nhất cho việc thu tín hiệu Trong hệ thống anten thích ứng, cáctín hiệu thu từ nhiều anten đợc đánh trọng số, đợc kết hợp theo các tiêuchuẩn nh: sai số trung bình bình phơng tối thiểu (MMSE = Minimum MeanSquare Error) hay bình phơng thấp nhất (LS = Least Squares) để đạt đợc tỷ

số tín hiệu trên tạp âm SNR cực đại Ưu điểm của hệ thống anten thích ứng

so với SBS là ngoài việc đạt đợc độ tăng ích M lần, nó còn đảm bảo độ lợiphân tập M lần Khi công suất phát không đổi các anten linh hoạt có thểtăng vùng phủ bằng cách tăng hệ số tăng ích anten Anten có hệ số tăng íchtăng M lần sẽ cho phép tăng vùng phủ M1/n lần, trong đó n là luỹ thừa của

Trần Thị Thu Phơng TC02 – 6216A Đại học Bách khoa Hà Nội33

Cho đ ờng truyền L

b) Cấu hình của máy thu RAKE

Hình 2.12: Máy thu RAKE

Tín hiệu đ ợc khôi phục

Bộ lọc đánh giá kênh đ ợc

ký hiệu hoa tiêu hỗ trợ Cho đ ờng truyền 1

tổn hao đờng truyền Nhờ vậy có thể giảm số BS M2/n lần Một SBS với Mbúp có thể tăng dung lợng hệ thống M lần nhờ giảm nhiễu Một hệ thốnganten thích ứng còn có thể cung cấp độ lợi bổ sung nhờ việc triệt nhiễu tốthơn

MS1 Nguồn nhiễu

MS Tia thẳng

Tia phản xạ a) Hệ thống búp h ớng linh hoạt

Đến máy phát hoặc máy thu

Hình 2.14 Anten linh hoạt thích ứng dạng dàn 2.5 lớp vật lý trong W-cdma

2.5.1 Thủ tục tìm gọi

Kênh tìm gọi (PCH) đợc tổ chức nh sau: Một thiết bị đầu cuối (UE)sau khi đã đăng ký với mạng sẽ đợc ấn định một nhóm tìm gọi Đối vớinhóm tìm gọi này, các chỉ thị tìm gọi (PI) sẽ xuất hiện định kỳ ở kênh chỉthị tìm gọi (PICH) khi có các bản tin tìm gọi cho một UE trực thuộc nhóm

Khi phát hiện PI, UE giải mã khung PCH tiếp theo đợc phát ở kênhS-CCPCH, để xem có bản tin tìm gọi gửi cho nó hay không UE cần giải mãPCH trong trờng hợp thu PI cho thấy độ tin cậy thấp của quyết định.Khoảng tìm gọi đợc thể hiện trên hình vẽ 2.15 sau đây:

Trần Thị Thu Phơng TC02 – 6216A Đại học Bách khoa Hà Nội34

Các chỉ thị tìm gọi

7680 chip

Bản tin tìm gọi PICH

S-CCPCH

PI càng ít xuất hiện thì UE hoạt động càng ít và tuổi thọ của ắc-quicàng cao Tuy nhiên thời gian đáp ứng với cuộc gọi khởi xớng từ mạng cầnphải cân nhắc lựa chọn.

2.5.2 Thủ tục đo chuyển giao

ở UTR FDD có các chuyển giao nh sau:

- Chuyển giao trong cùng chế độ, có thể là chuyển giao mềm, chuyểngiao mềm hơn hay chuyển giao cứng Chuyển giao cứng có thể xảy ra giữacác tần số hay trong cùng một tần số

- Chuyển giao giữa các chế độ, chuyển giao đến UTRA TDD

- Chuyển giao giữa các hệ thống, ở phát hành tiêu chuẩn 1999 chỉmới có chuyển giao đến GSM Chuyển giao GSM có thể đến hệ thống GSMhoạt động ở tần số 900 MHz, 1800 MHz và 1900 MHz Phát hành 2000 sẽ

bổ xung cho chuyển giao đến CDMA đa sóng mang (chế độ MC)

Sự liên quan chủ yếu của chuyển giao đến lớp vật lý là việc xác địnhcái gì phải đo cho các tiêu chuẩn chuyển giao và cách đợc các kết quả đo

2.5.2.1 Chuyển giao trong cùng một chế độ

Chuyển giao trong cùng một chế độ của UTRA FDD dựa trên việc đo

Ec/Io đợc thực hiện từ kênh hoa tiêu chung (CPICH) Các đại lợng quy định

UE đo ở kênh CPCH nh sau:

Trần Thị Thu Phơng TC02 – 6216A Đại học Bách khoa Hà Nội35

Kết quả đo hiệu

RNC

Hình 2.17: Đo định thời cho chuyển giao mềm

Chơng III các giao thức và giao diện umts trong hệ

thống W - Cdma3.1 tổng quan

UMTS là sự phát triển của GSM để cung cấp các khả năng cho thế hệ

ba (3G) UMTS sử dụng mạng đa truy nhập vô tuyến trên cơ sở W-CDMA

và mạng lõi đợc phát triển từ mạng GSM Hệ thống W-CDMA có hai giảipháp cho giao diện vô tuyến đó là:

- Ghép song công phân chia theo tần số (FDD: Frequency DivisionDuplex)

- Ghép song công phân chia theo thời gian (TDD: Time DivisionDuplex)

Cả hai giao diện này đều sử dụng phơng thức đa truy nhập phân chiatheo mã trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-CDMA)

Giải pháp FDD sử dụng hai băng tần 5 MHz với hai sóng mang phâncách nhau 190 MHZ: Đờng lên có hai băng tần nằm trong dải phổ từ 1920MHz đến 1980 MHz, đờng xuống có băng tần nằm trong dải phổ từ 2110MHz đến 2170 MHz Mặc dù 5 MHz là độ rộng băng danh định, nhng tacũng có thể chọn độ rộng băng từ 4,4 MHz đến 5 MHz với nấc tăng là 200KHz Việc chọn độ rộng băng đúng cho phép ta tránh đợc nhiễu giao thoa,nhất là khi băng tần 5 MHz tiếp theo thuộc về nhà khai thác khác

Giải pháp TDD sử dụng các tần số nằm trong dải từ 1900 MHz đến

1920 MHz và từ 2010 MHz đến 2025 MHz: ở đây đờng lên và đờng xuống

sử dụng chung một băng tần

Giao diện không gian của W-CDMA hoàn toàn khác với GSM vàGPRS Hệ thống W-CDMA sử dụng phơng thức trải phổ chuỗi trực tiếp vớitốc độ chip là 3,84 Mchip/s Trong W-CDMA mạng truy nhập vô tuyến đợcgọi là UTRAN (UMTS: Terrestrial Radio Access Network) Các phần tử củaUTRAN rất khác với các phần tử ở mạng truy nhập vô tuyến GSM Vì thếkhả năng sử dụng lại BTS và BSC của mạng GSM cũ là rất hạn chế

W-CDMA sử dụng rất nhiều các phần tử của mạng lõi trong mạngGSM và mạng GPRS hiện có cho mạng của mình Các phần tử nh MSC,HLR, SGSN, GGSN có thể đợc nâng cấp từ mạng hiện có để hỗ trợ đồngthời W-CDMA và GSM

3.2 Cấu trúc hệ thống umts trong W- cdma.

cấu trúc hệ thống UMTS bao gồm các phần tử mạng logic và cácgiao diện Hệ thống UMTS sử dụng cùng cấu trúc nh hệ thống thế hệ haithậm chí cả một phần cấu trúc của hệ thống thế hệ một

Hệ thống UMTS gồm một số các phần tử mạng logic, mỗi phần tử cómột chức năng xác định Trong tiêu chuẩn các phần tử mạng đợc định nghĩa

ở mức logic, tuy nhiên cũng thờng đợc thực hiện ở dạng vật lý tơng tự, nhất

là có một số giao diện mở (giao diện mở là giao diện đợc định nghĩa chungcho thiết bị của các nhà sản xuất khác nhau ở các điểm cuối đều sử dụng đ-ợc) Có thể nhóm các phần tử mạng theo các chức năng giống nhau haytheo mạng con mà chúng trực thuộc

Về chức năng, các phần tử mạng đợc nhóm thành mạng truy nhập vôtuyến (RAN: Radio Access Network hay UTRAN: UMTS Terrestrial RAN)

để thực hiện chức năng liên quan đến vô tuyến và mạng lõi (CN: CoreNetwork) thực hiện chức năng chuyển mạch, định tuyến cuộc gọi và kết nối

số liệu Để hoàn thiện hệ thống còn có thiết bị ngời sử dụng (UE: UserEquipment) thực hiện giao diện ngời sử dụng với hệ thống và cần địnhnghĩa giao diện vô tuyến

Từ những quan điểm về tiêu chuẩn hoá, cả UE và UTRAN đều baogồm các giao thức mới, việc thiết kế các giao thức mới này dựa trên các nhucầu của công nghệ vô tuyến W-CDMA mới Trái lại việc định nghĩa CN dựatrên GSM Điều này cho phép hệ thống với công nghệ vô tuyến mới mangtính toàn cầu dựa trên công nghệ CN đã biết và đã phát triển

Một phơng pháp chia nhóm khác cho mạng UMTS là chia chúngthành các mạng con Hệ thống UMTS đợc thiết kế theo modul, vì thế có thể

có nhiều phần tử mạng cho cùng một kiểu Về nguyên tắc, yêu cầu tối thiểucho một mạng hoạt động và có đầy đủ các tính năng là phải có ít nhất mộtphần tử logic cho mỗi kiểu Khả năng có nhiều phần tử của cùng một kiểucho phép chia hệ thống UMTS thành các mạng con hoạt động hoặc độc lậphoặc cùng với các mạng con khác và các mạng con này đợc phân biệt bởicác nhận dạng duy nhất Một mạng con nh vậy đợc gọi là mạng di độngmặt đất công cộng UMTS (UMTS PLMN: UMTS Public Land MobileNetwork) Thông thờng mỗi PLMN đợc khai thác bởi một nhà khai thácduy nhất và nó đợc nối đến các PLMN khác cũng nh các dạng mạng khác

PLMN,PSTN, ISDN,

Internet

UE UTRAN CN Các mạng ngoài

Nút B Nút B

Nút B Nút B

Iu

Hình 3.1 Các phần tử của mạng PLMN

Ký hiệu:

- USIM = User Sim Card: thẻ Sim Card của ngời sử dụng

- MS = Mobile Station: Máy điện thoại di động

- RNC = Radio Node Controller: Bộ điều khiển trạm gốc

Trần Thị Thu Phơng TC02 – 6216A Đại học Bách khoa Hà Nội37